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Un nouveau regard sur le cycle de l’eau dans l’Himalaya

Une étude publiée dans la prestigieuse revue Nature Geoscience par des chercheurs de Géosciences Rennes apporte un nouveau regard sur le cycle de l’eau dans l’Himalaya. Grâce àl’analyse des mesures quotidiennes du débit des fleuves himalayens réalisées depuis environ 30 ans et àdes travaux de simulation, ces chercheur démontrent que dans l’Himalaya, le transfert des eaux de précipitation vers les fleuves est en effet modulé davantage par leur stockage temporaire dans des aquifères fracturés que par leur stockage sous forme de neige et de glace ou l’évapotranspiration. Cette étude a été réalisée par Christoff Andermann, dans le cadre de sa thèse de doctorat de l’Université de Rennes 1, co-dirigée par Stéphane Bonnet, anciennement Maître de Conférences àl’Université de Rennes1 et maintenant Professeur àl’Université Paul Sabatier (Toulouse III), et Richard Gloaguen de l’Université de Freiberg (Allemagne). Ces travaux ont bénéficié de l’implication de plusieurs chercheurs de l’unité de recherche Géosciences Rennes : Laurent Longuevergne, Alain Crave et Philippe Davy.

Le transfert des eaux de précipitation vers les rivières s’effectue via des réservoirs de stockage temporaire, tels que les nappes phréatiques ou les retenues d’eau, àtravers lesquels l’eau chemine. Dans les domaines montagneux, où les précipitations connaissent une très forte variabilité spatio-temporelle et peuvent en outre être stockées temporairement et pour partie sous forme de neige ou de glace, le cycle hydrologique peut donc se révéler très complexe.

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Vallée de la Kalingandaki, entourée de l’Annapurna (àdroite, 8091 m) et du Dhaulagiri (àgauche, 8167 m). © Geosciences Rennes CNRS / Christoff Andermann

Dans l’Himalaya, le cycle hydrologique est marqué au premier ordre par une très forte variation saisonnière du climat, liée àla mousson : plus de 80 % des précipitations annuelles se produisent de juin àseptembre, avec un maxima en juillet et aout. À l’échelle annuelle, le débit des fleuves suit globalement cette évolution des précipitations et jusqu’àprésent il était convenu que deux processus principaux modulaient le transfert des eaux de précipitation vers les fleuves :
- le stockage des eaux de précipitation sous forme de neige et de glace et la libération de ce stock d’eau, dans des proportions variables, lors des épisodes saisonniers de fonte ;
- et l’évapotranspiration, c’est-à-dire le transfert des eaux de surface vers l’atmosphère directement par évaporation ou par transpiration des plantes.

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Taux mensuel moyen de précipitation (vert) dans le bassin versant du fleuve Narayani au Népal, calculé sur la période 1951-2006, et débit quotidien moyen du fleuve (courbe bleue foncé), calculé àpartir de 34 ans de données quotidiennes (le fond de couleur bleue ciel indique toute la gamme des valeurs quotidiennes de débit sur les 34 années de données).

L’étude publiée dans la revue Nature Géoscience vient de modifier drastiquement cette vision. Une équipe de chercheurs franco-allemands a étudié en détail les relations entre précipitations et débit des fleuves dans douze bassins versants du Népal pour lesquels elle disposait de mesures quotidiennes de débit(1) sur de longues périodes de temps, de l’ordre de 30 ans. Ces douze bassins sont les trois principaux bassins versants de cette région (Sapta Koshi, Narayani et Karnali) et neuf autres bassins plus petits, établis dans différents domaines physiographiques de l’Himalaya, depuis le front de la chaîne, dans la région des Siwaliks, jusque dans le Haut-Himalaya : certains de ces bassins possèdent donc des glaciers permanents, quand d’autres ne sont jamais englacés.

Ces chercheurs ont ainsi pu observer que, dans chaque bassin versant, la représentation graphique du débit en fonction des précipitations sur la trentaine d’années de mesure donne des points très dispersés, dont la chronologie illustre cependant très bien le cycle hydrologique annuel : le débit des fleuves augmente avec l’augmentation progressive des taux de précipitations durant la période de pré-mousson (mars - mai), culmine pendant la mousson (juin - septembre), puis décroit au cours de la période de post-mousson (octobre - novembre). En revanche, ce graphe montre que pour un taux de précipitations identique, le débit des fleuves est systématiquement beaucoup plus élevé après la mousson qu’avant. À l’échelle annuelle, il existe ainsi dans tous des bassins versants étudiés un effet dit d’hystérésis antihoraire entre le débit des fleuves et les précipitations. Bien connu en hydrologie àl’échelle d’un événement de crue et sur une période de quelques jours, ce phénomène d’hystérésis antihoraire est observé pour la première fois àl’échelle de l’année, la mousson pouvant ainsi être comparée àune sorte d’énorme crue (en quantité et en durée).

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Débit spécifique (débit rapporté àune unité de surface) quotidien du fleuve Narayani au Népal en fonction du taux quotidien de précipitations sur le bassin versant ( 12 300 points de données répartis sur 34 ans). Le code couleur est lié àla date d’acquisition des données dans l’année et l’échelle est logarithmique en abscisse et en ordonnée. La ligne de pointillés est la ligne "débit spécifique = taux de précipitation".

Les hystérésis antihoraires impliquent qu’une partie des eaux de précipitation soit stockée temporairement dans un réservoir hydrologique pendant les périodes de pré-mousson et de mousson, puis relarguée durant la post-mousson. Le rôle des glaciers dans ce processus a pu facilement être écarté dans la mesure où cet effet d’hystérésis est observé même dans les bassins versants non englacés ; en outre, c’est pendant la pré-mousson et la mousson que se situent les principales périodes de fonte des neiges et des glaciers dans l’Himalaya, ce qui n’est pas en accord avec la nature antihoraire des hystérésis observées.
Finalement, la simulation numérique des données(2) a permis aux chercheurs de montrer que cet effet d’hystérésis est principalement dà» au stockage temporaire d’une partie des eaux de précipitation dans des aquifères et àleur vidange après la mousson. Elle leur a également permis d’estimer les propriétés hydrophysiques(3) de ces aquifères, ainsi que leur capacité de stockage qui s’élève à28 km3 pour l’ensemble du Népal. Ces propriétés hydrophysiques sont typiques des écoulements d’eau dans les réseaux de fractures des roches du sous-sol. Quant aux volumes d’eau impliqués, ils sont très importants puisque c’est environ 2/3 des eaux des fleuves népalais qui circulent ainsi chaque année dans ce sous-sol fracturé.
Ces résultats ont pu être mis en évidence grâce àla météorologie particulièrement contrastée que connaît cette région avec la présence de la mousson. En montrant que le transfert des eaux de précipitation vers les fleuves est contrôlé par des aquifères fracturés, ils modifient considérablement la manière dont les chercheurs interprétaient le cycle hydrologique himalayen.

(1) Les débits des rivières ont été fournis par le Département d’hydrologie et de météorologie du Népal (DHM) et les précipitations ont été calculées en utilisant les données de la base japonaise APHRODITE (Asian precipitation highly resolved observational data integration towards evaluation of water resources).
(2) Ces simulations ont été réalisées àl’aide de deux modèles de simulation hydrologique du Cemagref que les chercheurs ont adaptés.
(3) Il s’agit des temps caractéristiques de charge et de décharge, de la transmitivité hydraulique et de la diffusivité hydraulique des aquifères.

Référence

Impact of transient groundwater storage on the discharge of Himalayan Rivers, Christoff Andermann, Laurent Longuevergne, Stéphane Bonnet, Alain Crave, Philippe Davy and Richard Gloaguen, Nature Geoscience, 2012. DOI : 10.1038/NGEO1356

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Contact

Stéphane Bonnet : GET/OMP, 05 61 33 25 89,
Christoff Andermann : Géosciences Rennes/OSUR, 02 23 23 66 24,
Philippe Davy : Géosciences Rennes/OSUR, 02 23 23 65 65,